(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一気筒からなる第一気筒群と、その他の気筒からなる第二気筒群とを有する多気筒内燃機関の排気浄化装置であって、前記第一気筒群の第一排気通路と前記第二気筒群の第二排気通路との合流部より下流側に位置する第三排気通路に卑金属触媒を担持するＮＯX還元触媒装置が配置され、前記第二排気通路には排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであるときには排気ガス中のＮＯXを吸蔵し、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチとなると吸蔵したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵装置が配置され、前記第二排気通路の前記ＮＯX吸蔵装置の下流側と前記第三排気通路の前記ＮＯX還元触媒装置の下流側とを連通する連通路が設けられ、前記第一気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチとし、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンにするときには前記ＮＯX吸蔵装置から流出する排気ガスは前記連通路を通過するようにされ、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにするときには前記ＮＯX吸蔵装置から流出する排気ガスは前記ＮＯX還元触媒装置を通過するようにされることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記ＮＯX吸蔵装置のＮＯX吸蔵量が設定量となると、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンからリッチに切り換えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記第三排気通路における前記連通路の接続位置より下流側には、酸化触媒装置が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記酸化触媒装置は、アンモニア吸蔵機能を備えていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、及びＮＯXを浄化するために、三元触媒装置を機関排気系に配置することが公知である。しかしながら、三元触媒装置に一般的に使用される白金等の貴金属触媒は高価であり、貴金属触媒に代えて卑金属触媒を使用することが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、こうして三元触媒装置において、貴金属触媒を代えて卑金属触媒を使用したり、又は、貴金属触媒の一部を卑金属触媒に置き換えたりすると、ＮＯX還元触媒装置としてＮＯXの還元性能が低下するために、燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチにして、排気ガス中にＨＣ及びＣＯ等の還元物質の濃度を高めてＮＯXを還元し易くすることが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１２５８６２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のように、卑金属触媒を担持してＮＯXの還元性能が低いＮＯX還元触媒装置を備える内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯXを良好に還元するのに燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにしたのでは、燃料消費が大幅に悪化してしまう。
【０００６】
従って、本発明の目的は、卑金属触媒を担持してＮＯXの還元性能が低いＮＯX還元触媒装置を備える内燃機関の排気浄化装置において、排気ガス中のＮＯXの還元のための燃料消費の悪化を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、少なくとも一気筒からなる第一気筒群と、その他の気筒からなる第二気筒群とを有する多気筒内燃機関の排気浄化装置であって、前記第一気筒群の第一排気通路と前記第二気筒群の第二排気通路との合流部より下流側に位置する第三排気通路に卑金属触媒を担持するＮＯX還元触媒装置が配置され、前記第二排気通路には排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであるときには排気ガス中のＮＯXを吸蔵し、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチとなると吸蔵したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵装置が配置され、前記第二排気通路の前記ＮＯX吸蔵装置の下流側と前記第三排気通路の前記ＮＯX還元触媒装置の下流側とを連通する連通路が設けられ、前記第一気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチとし、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンにするときには前記ＮＯX吸蔵装置から流出する排気ガスは前記連通路を通過するようにされ、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにするときには前記ＮＯX吸蔵装置から流出する排気ガスは前記ＮＯX還元触媒装置を通過するようにされることを特徴とする。
【０００８】
本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯX吸蔵装置のＮＯX吸蔵量が設定量となると、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンからリッチに切り換えることを特徴とする。
【０００９】
本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第三排気通路における前記連通路の接続位置より下流側には、酸化触媒装置が配置されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記酸化触媒装置は、アンモニア吸蔵機能を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、少なくとも一気筒からなる第一気筒群と、その他の気筒からなる第二気筒群とを有する多気筒内燃機関の排気浄化装置であって、第一気筒群の第一排気通路と第二気筒群の第二排気通路との合流部より下流側に位置する第三排気通路に卑金属触媒を担持するＮＯX還元触媒装置が配置され、第二排気通路には排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであるときには排気ガス中のＮＯXを吸蔵し、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチとなると吸蔵したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵装置が配置され、第二排気通路のＮＯX吸蔵装置の下流側と第三排気通路のＮＯX還元触媒装置の下流側とを連通する連通路が設けられ、第一気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチとし、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンにするときにはＮＯX吸蔵装置から流出する排気ガスは連通路を通過するようにされている。それにより、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガスは、第一排気通路を通って第三排気通路のＮＯX還元触媒装置へ流入し、卑金属触媒を担持してＮＯXの還元性能が低いＮＯX還元触媒装置でも、排気ガス中のＮＯXを排気ガス中のＨＣ及びＣＯを使用して良好に還元浄化することができる。
【００１２】
一方、理論空燃比よりリーンな第二気筒群の排気ガス中のＮＯXは、ＮＯXの還元性能が低いＮＯX還元触媒装置では良好に浄化することができないために、第二排気通路に配置されたＮＯX吸蔵装置に吸蔵される。こうして、内燃機関の各気筒から排出されるＮＯXの大気放出を十分に抑制することができ、全気筒の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチとする場合に比較してＮＯXの還元のための燃料消費の悪化を改善することができる。
【００１３】
また、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにするときには、ＮＯX吸蔵装置は吸蔵したＮＯXを放出するために、ＮＯX吸蔵装置から流出する排気ガスはＮＯX還元触媒装置を通過するようにされ、第一気筒群から排出されるＮＯXと共にＮＯX吸蔵装置から放出されるＮＯXは、第一気筒群及び第二気筒群からの理論空燃比よりリッチな排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯを使用して、ＮＯXの還元性能が低いＮＯX還元触媒装置においても良好に浄化することができる。
【００１４】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯX吸蔵装置のＮＯX吸蔵量が設定量となると、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンからリッチに切り換えるようになっている。それにより、ＮＯX吸蔵装置のＮＯX吸蔵量が飽和しても第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンとし続けることは抑制される。
【００１５】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第三排気通路における連通路の接続位置より下流側には、酸化触媒装置が配置されている。それにより、第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされているときに、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯの一部がＮＯX還元触媒装置から流出しても、酸化触媒装置において、理論空燃比よりリーンな第二気筒群の排気ガス中に含まれる酸素を使用して良好に酸化浄化することができる。
【００１６】
また、本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、酸化触媒装置は、アンモニア吸蔵機能を備えている。それにより、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガス中のＮＯXがＮＯX還元触媒装置において還元されてアンモニアが生成されても、酸化触媒装置のアンモニア吸蔵機能により吸蔵することができる。こうして酸化触媒装置に吸蔵されたアンモニアは、ＮＯX吸蔵装置のＮＯX吸蔵量が設定量となって第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチにされ、ＮＯX吸蔵装置からＮＯXが放出されるときに、ＮＯX還元触媒装置において一部のＮＯXが浄化されずに流出しても、酸化触媒装置において、吸蔵されているアンモニアによって良好に還元浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。
【図２】図１の排気浄化装置の制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。内燃機関は例えば筒内噴射式火花点火の四気筒内燃機関である。＃１気筒は、少なくとも一気筒からなる第一気筒群であり、＃２気筒及び＃３気筒及び＃４気筒は、その他の気筒からなる第二気筒群である。もちろん、全気筒数、第一気筒群を構成する気筒数、第二気筒群を構成する気筒数は、例であり、いずれも任意に設定可能である。
【００１９】
１０は第一気筒群の第一排気通路であり、２０は第二気筒群の第二排気通路である。第一排気通路１０と第二排気通路２０との合流部１００より下流側に位置する第三排気通路３０には、ＮＯX還元触媒装置４０が配置されている。ＮＯX還元触媒装置４０は、ハニカム構造の基体上に、一般的な三元触媒装置のような白金Ｐｔ等の高価な貴金属触媒ではなく、銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、銀Ａｇ、又は、金Ａｕ等の卑金属触媒をアルミナ又はセリア等を担体として担持したものである。また、ＮＯX還元触媒装置４０は、一般的な三元触媒装置の貴金属触媒の一部を卑金属触媒に置換するなどして、高価な貴金属触媒の使用量を減少させたものでも良い。
【００２０】
また、第二排気通路２０の排気マニホルド２１の下流側には、ＮＯX吸蔵装置５０が配置されている。ＮＯX吸蔵装置５０は、例えば、ハニカム構造の基体上に、パラジウムＰｄ等をジルコニアＺｒＯ2等を担体として担持したものであり、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであるときには排気ガス中のＮＯXを吸蔵し、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチとなると吸蔵したＮＯXを放出するものである。ＮＯX吸蔵装置５０は、例えば、アルミナ等を担体としてアルカリ金属（Ｋ，Ｎａ）又はアルカリ土類金属（Ｂａ，Ｓｒ）と貴金属（Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ）とを担持する一般的なＮＯX吸蔵還元触媒装置としても良い。
【００２１】
第二排気通路２０のＮＯX吸蔵装置５０の下流側と第三排気通路３０のＮＯX還元触媒装置４０の下流側とを連通する連通路６０が、第二排気通路２０のＮＯX吸蔵装置５０の下流側に配置された切換弁７０を介して接続されている。切換弁７０を第一位置とすることにより、第二気筒群の排気ガスは、実線矢印示すように、連通路６０を通過し第三排気通路３０のＮＯX還元触媒装置４０の下流側において第三排気通路３０へ合流する。一方、切換弁７０を第二位置とすることにより、第二気筒群の排気ガスは、点線矢印で示すように、連通路６０を通過せずに、第二排気通路２０をそのまま通過して合流部１００において第一気筒群の排気ガスと共に第三排気通路３０へ流入する。
【００２２】
前述のＮＯX還元触媒装置４０は、貴金属触媒を担持する一般的な三元触媒装置に比較して、還元性能が低下するために、理論空燃比の排気ガスではＮＯXを十分に還元浄化することができず、燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチ（例えば空燃比１４）にして排気ガス中の還元物質の濃度を高めてＮＯXを十分に還元できるようにしなければならない。しかしながら、全ての気筒において燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにしたのでは、燃料消費が悪化してしまう。
【００２３】
この問題を改善するために、本排気浄化装置は電子制御装置（図示せず）によって図２に示すフローチャートに従って制御される。先ず、ステップ１０１において、第一気筒群（＃１気筒）の燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチ（例えば空燃比１４）にする。このような第一気筒群の燃焼空燃比の制御を可能とするために、第一排気通路１０の合流部１００の上流側には、第一気筒群の排気ガスの空燃比を検出する第一空燃比センサ１１が配置されている。
【００２４】
次いで、ステップ１０２では、ＮＯX吸蔵装置５０のＮＯX吸蔵量Ａが設定量Ａ’に達したか否かが判断される。例えば、２２はＮＯX吸蔵装置５０の下流側に配置されたＮＯX濃度センサであり、ＮＯX吸蔵装置５０から流出するＮＯX濃度を検出することができる。それにより、ＮＯX濃度センサ２２により検出されたＮＯX濃度が設定濃度より高くなったときに、ＮＯX吸蔵装置５０のＮＯX吸蔵量Ａが設定量Ａ’に達して、ＮＯX吸蔵装置５０から流出するＮＯX量が増大したと判断することができる。
【００２５】
ステップ１０２の判断が否定されるときには、ステップ１０３において、第二気筒群（＃２気筒、＃３気筒、及び＃４気筒）の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーン（例えば空燃比１５）にする。このような第二気筒群の燃焼空燃比の制御を可能とするために、第二排気通路１０の排気マニホルド２１とＮＯX吸蔵装置５０との間には、第二気筒群の排気ガスの空燃比を検出する第二空燃比センサ２３が配置されている。次いで、ステップ１０４では、切換弁７０を第一位置として、第二気筒群の排気ガスは、実線で示すように、連通路６０を通過し第三排気通路３０のＮＯX還元触媒装置４０の下流側において第三排気通路３０へ合流するようにする。
【００２６】
例えば、ＮＯX濃度センサ２２を配置しなくても、ＮＯX吸蔵装置５０のＮＯX吸蔵量Ａが０であるときから、各時間の第二気筒群のリーン空燃比運転におけるＮＯX吸蔵装置５０へ新たに吸蔵されるＮＯX量（機関運転状態毎にマップ化することができる）を積算すれば、現在のＮＯX吸蔵量Ａを推定することができる。
【００２７】
理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガスは、第一排気通路１０を通って第三排気通路３０のＮＯX還元触媒装置４０へ流入し、ＮＯX還元触媒装置４０が卑金属触媒を担持するものでも、排気ガス中のＮＯXを排気ガス中のＨＣ及びＣＯを使用して良好に還元浄化することができる。
【００２８】
一方、理論空燃比よりリーンな第二気筒群の排気ガス中のＮＯXは、卑金属触媒を担持するＮＯX還元触媒装置４０では良好に浄化することができないために、第二排気通路２０に配置されたＮＯX吸蔵装置５０に吸蔵される。こうして、内燃機関の各気筒から排出されるＮＯXの大気放出を十分に抑制することができ、全気筒の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチとする場合に比較して燃料消費の悪化を改善することができる。
【００２９】
このようなフローが繰り返されると、ＮＯX吸蔵装置５０のＮＯX吸蔵量Ａが設定量Ａ’となって、ステップ１０２の判断が肯定され、ステップ１０５において、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチ（例えば空燃比１４）にする。次いで、ステップ１０６において、切換弁７０を第二位置とし、第二気筒群の排気ガスは、点線矢印で示すように、連通路６０を通過せずに、第二排気通路２０をそのまま通過して合流部１００において第一気筒群の排気ガスと共に第三排気通路３０へ流入するようにする。
【００３０】
それにより、リッチ空燃比の排気ガスがＮＯX吸蔵装置５０へ流入し、ＮＯX吸蔵装置からＮＯXが放出され、こうして放出されたＮＯXはＮＯX還元触媒装置４０へ流入し、第一気筒群から排出されるＮＯXと共に、第一気筒群及び第二気筒群からの理論空燃比よりリッチな排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯを使用して、卑金属触媒を担持するＮＯX還元触媒装置４０において良好に浄化することができる。
【００３１】
次いで、ステップ１０７において、第二気筒群の燃焼空燃比をリッチ空燃比としてからの経過時間ｔが設定時間ｔ’に達したか否かが判断され、この判断が否定されるときには、吸蔵ＮＯXの放出が不十分であり、ＮＯX吸蔵装置５０のＮＯX吸蔵量Ａが０まで低下していないとして、ステップ１０５及び１０６の処理が継続される。一方、経過時間ｔが設定時間ｔ’に達したときには、ＮＯX吸蔵装置５０のＮＯX吸蔵量Ａが０まで低下したとして、ステップ１０３に進み、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンにすると共に、ステップ１０４において、切換弁７０を第一位置とする。
【００３２】
ところで、本排気浄化装置において、第三排気通路３０における連通路６０の接続位置より下流側には、卑金属触媒（又は貴金属触媒）を担持する酸化触媒装置８０が配置されている。それにより、第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされているときに、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯの一部がＮＯX還元触媒装置４０から流出しても、酸化触媒装置８０において、理論空燃比よりリーンな第二気筒群の排気ガス中に含まれる酸素を使用して良好に酸化浄化することができる。
【００３３】
酸化触媒装置８０は、例えば、ハニカム構造の基体上に、超強酸処理したジルコニアＺｒＯ2や、銅Ｃｕ又は鉄ＦｅをゼオライトＺＳＭ５又はＳＡＰＯを担体として担持したものすることにより、アンモニア吸蔵機能を有するようにすることが好ましい。それにより、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガス中のＮＯXがＮＯX還元触媒装置において還元されてアンモニアが生成されても（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2，２ＮＯ＋２ＣＯ＋３Ｈ2→２ＮＨ3＋２ＣＯ2）、酸化触媒装置８０のアンモニア吸蔵機能により吸蔵することができる。こうして酸化触媒装置８０に吸蔵されたアンモニアは、ＮＯX吸蔵装置５０のＮＯX吸蔵量Ａが設定量Ａ’となって第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチにされ、ＮＯX吸蔵装置５０からＮＯXが放出されるときに、ＮＯX還元触媒装置４０において一部のＮＯXが浄化されずに流出しても、酸化触媒装置８０において、吸蔵されているアンモニアによって良好に還元浄化することができる（６ＮＯ＋４ＮＨ3→５Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ）。また、第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされているときに、ＮＯX吸蔵装置５０から僅かにＮＯXが漏れ出ても、酸化触媒装置８０において、吸蔵アンモニアにより還元浄化することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０    第一排気通路
２０    第二排気通路
３０    第三排気通路
４０    ＮＯX還元触媒装置
５０    ＮＯX吸蔵装置
６０    連通路
７０    切換弁
８０    酸化触媒装置
【図１】
0005653894.tif 000002
【図２】
0005653894.tif 000003